量子通信是迄今唯一被嚴格證明無條件安全的通信方式
        四問量子通信 

 

本報記者 吳月輝

制圖：張芳曼
 

打個電話，會不會被竊聽？通過網(wǎng)絡傳送一份保密文件，途中被他人竊取咋辦……現(xiàn)代社會，信息安全面臨的問題越來越多。

有沒有一種不可破譯的保密方式，能讓傳送的信息絕對安全可靠？近些年來，量子通信技術(shù)的飛躍發(fā)展正讓夢想成為現(xiàn)實。

一問：什么是量子？　　

量子是光子、質(zhì)子、中子、電子、介子等基本粒子的統(tǒng)稱，是能量的最基本攜帶者

量子是物理世界里最小的、不可分割的基本單元，是能量的最基本攜帶者。它是光子、質(zhì)子、中子、電子、介子等基本粒子的統(tǒng)稱。可以說，整個世界都是由量子組成的。比如，日常生活中的光，就由大量光量子組成。

量子有不同于宏觀物理世界的奇妙現(xiàn)象，其中最為著名的就是量子疊加和量子糾纏。

“量子世界跟宏觀世界最大的區(qū)別，就是量子有多個可能狀態(tài)的疊加態(tài)。”中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、中國科學技術(shù)大學上海研究院副研究員張文卓說，“這種現(xiàn)象在宏觀世界里是存在不了也無法維持的。在宏觀的經(jīng)典世界里，1就是1，2就是2。而在微觀的量子世界中，一個狀態(tài)可以存在于1和2之間，它既不是1，也不是2，但它既是1，又是2。”

“打個比方吧，這就好比孫悟空的分身術(shù)。一個孫悟空可以同時出現(xiàn)在多個地方，孫悟空的各個分身就像是他的疊加態(tài)。”中科院院士、中國科學技術(shù)大學教授潘建偉解釋道，“在日常生活中，一個人不可能同時出現(xiàn)在兩個地方。但在量子世界里，作為一個微觀的客體，它能夠同時出現(xiàn)在許多地方。”

而所謂量子糾纏，也是量子疊加的一種表現(xiàn)，是指兩個處在糾纏態(tài)的量子一旦分開，不論分開多遠，如果對其中的一個粒子測量，另一個粒子就會立即發(fā)生變化，且是不需要時間的變化。

“這兩個糾纏在一起的量子就好比是一對有心電感應的雙胞胎，不管兩人距離多遠，千公里量級或者更遠，只要當其中一個人的狀態(tài)發(fā)生變化時，另一個人的狀態(tài)也會跟著發(fā)生一樣的變化。愛因斯坦稱之為‘幽靈般的超距作用’。”潘建偉說，“量子糾纏所體現(xiàn)的這種非定域性是量子力學最神奇的現(xiàn)象之一。”

二問：什么是量子通信？　　

量子通信是利用量子力學原理對量子態(tài)進行操控的一種通信形式，可以有效解決信息安全問題

近年來，隨著量子的各種奇妙特性被科學家不斷認識，實用的新技術(shù)也被逐漸開發(fā)出來，量子通信就是其中之一。

量子通信是量子信息學的一個重要分支，它利用量子力學原理對量子態(tài)進行操控，在兩個地點之間進行信息交互，可以完成經(jīng)典通信所不能完成的任務。量子通信是迄今唯一被嚴格證明無條件安全的通信方式，可以有效解決信息安全問題。

張文卓說：“通常來講，量子通信分為兩種，一種是量子密鑰分發(fā)；另外一種是量子隱形傳態(tài)。前者是利用量子的不可復制性以及測量的隨機性來生成量子密碼，給傳統(tǒng)的數(shù)字通信加密；而后者則是利用量子糾纏直接傳送量子比特。量子隱形傳態(tài)是為了給未來的量子計算機之間的通信使用。”

那么，量子密鑰分發(fā)是如何生成量子密碼來給傳統(tǒng)的通信加密的？

“假如，信息發(fā)送者甲想和信息接收者乙共享量子密碼。首先，發(fā)送者甲需要把一個個獨立的單光子發(fā)送給乙，一邊發(fā)一邊隨機地選擇單光子的狀態(tài)，并把自己的隨機選擇方式記錄下來。同時乙也需要把收到的光子隨機地測量一遍，然后把每個測量方式通過經(jīng)典通信方式告訴甲。”張文卓說，“接下來，甲把乙的測量方式和自己的隨機選擇方式做對比，保留測量方式相同的光子，去掉不同的。留下的這些光子的測量結(jié)果，就構(gòu)成了量子密碼。然后，乙就可以依據(jù)這些密碼打開保密信息。”

量子隱形傳態(tài)又是如何利用量子糾纏直接傳送量子信息的？

同樣是信息發(fā)送者甲和接收者乙。這次不是共享密碼了，而是要發(fā)送包含量子信息的光子a。

張文卓說：“首先得制備出一對處在量子糾纏態(tài)的光子b和c，把b交到發(fā)送者甲手里，把c給接收者乙‘拿著’。然后，甲通過自己手中的光子b和這個想要發(fā)送的光子a一起做測量，并把測量方法告訴乙。乙再通過這種方法測量手中的c，這時的c已經(jīng)擁有了與a同樣的量子信息態(tài)。”

張文卓進一步解釋：“也就是說，我們并不需要真的傳遞光子a本身，而是把它的量子態(tài)精確傳送過去。量子隱形傳態(tài)利用量子糾纏，接收者乙在擁有糾纏態(tài)的光子和發(fā)送者甲的測量方法后，可以制造出原物的完美復制品。”

三問：為何保密性高？　　

量子具有測量的隨機性和不可復制的特性，幾乎不可能被破譯

以往用微電子技術(shù)為基礎的計算機技術(shù)傳遞信息極易遭遇竊聽。

“因為傳統(tǒng)通信的密鑰都基于非常復雜的數(shù)學算法，只要是通過算法加密的，人們就可以通過計算進行破解。而量子通信則可以做到很安全，不被破譯和竊聽，這在數(shù)學上已經(jīng)獲得了嚴格的證明。”張文卓說。

這種“很安全”是如何實現(xiàn)的？這就要說到在講量子密鑰分發(fā)時提到的量子的另外兩個特性——測量的隨機性和不可復制。

什么是量子測量的隨機性？

張文卓說：“在量子力學里，光子可以朝著某個方向進行振動，叫做偏振。因為量子疊加，一個光子可以同時處在水平偏振和垂直偏振兩個量子狀態(tài)的疊加態(tài)。這時，如果你拿一個儀器在這兩個方向上進行測量，就會發(fā)現(xiàn)，每次測量都只會得到其中一個結(jié)果：要么是水平的，要么是垂直的。測量的結(jié)果完全隨機。”

而在日常的宏觀世界里，一個物體的速度和位置，一般是可以同時準確測定的。比如飛機來了，雷達就可以把飛機的速度、位置都準確測定。

“但在量子世界，測量會破壞或改變量子的狀態(tài)。如果我們把一個量子的位置測準了，它的速度就測不準了。”張文卓說。

既然測量量子的狀態(tài)會出現(xiàn)隨機的結(jié)果，那么人們自然也無法對一個不知道其狀態(tài)的量子進行復制，這就是量子不可復制的特性。

利用這兩個特性，量子通信也就保證了安全。“在量子密碼共享或量子態(tài)傳遞過程中，如果有人竊聽，它的狀態(tài)就會因竊聽（測量）發(fā)生改變，密碼接收的誤碼率會明顯增加，從而引起發(fā)送者和接收者的警覺，而停止該信道的發(fā)送。如果竊聽者一直在這個信道存在，可以換一個沒有發(fā)現(xiàn)竊聽者的信道重新發(fā)送。”張文卓說，“因為能及時發(fā)現(xiàn)竊聽者，加上量子的不可復制也使得竊聽者無法采取信息復制的方法來獲得合法用戶的信息，所以，量子通信具有很強的保密性。”

四問：能否取代傳統(tǒng)通信？

這是兩種不同的通信形式，量子通信是為了讓傳統(tǒng)的數(shù)字通信變得更安全

量子通信既然這么厲害，那未來會不會取代傳統(tǒng)通信？

張文卓說：“實際上，量子通信的目標并不是要把傳統(tǒng)的數(shù)字通信給取代掉。比如量子密鑰分發(fā)，它本身是為了讓傳統(tǒng)的數(shù)字通信變得更安全，并不能獨立存在。而量子隱形傳態(tài)則完全取決于量子計算機的發(fā)展。只有未來所有的經(jīng)典計算機都被量子計算機取代了，才完全會用這種通信方式。但問題是，量子計算機和傳統(tǒng)計算機就好比核武器和常規(guī)武器，是不可能完全取代彼此的。未來應該是量子通信和傳統(tǒng)通信一起構(gòu)建天地一體化通信網(wǎng)絡。”

量子通信事關(guān)國家信息和國防安全，這個戰(zhàn)略性領域已經(jīng)成為發(fā)達國家優(yōu)先發(fā)展的信息科技和產(chǎn)業(yè)高地。

美國對量子通信的理論和實驗研究開始較早，并最先將其列入國家戰(zhàn)略。歐盟則著眼于合力構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)，2015年發(fā)布《量子宣言》，計劃啟動10億歐元用于推動量子通信和量子技術(shù)的發(fā)展。日本也制定了量子信息技術(shù)長期發(fā)展路線圖。

雖然在全球量子通信競賽中，中國起步并非最早，但是在科學家們的不懈努力下，目前中國在量子通信領域已經(jīng)實現(xiàn)了“彎道超車”。

潘建偉團隊在2007年首次實現(xiàn)安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)，2016年又將最安全距離提高到400公里；2016年中國發(fā)射全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星；2017年世界首條量子保密通信干線——“京滬干線”正式開通……潘建偉表示，希望到2030年左右，能建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡，并在量子計算領域有所作為。

 

來源：《 人民日報 》（ 2017年11月24日18 版） （關(guān)注·走近“顛覆性技術(shù)”②）